poslední úprava těchto stránek
6.květen 2018


Diferenciální měření s osciloskopem



Většina osciloskopů má standardní vstup proti zemi, tzv. "single ended", tedy vstup, který je vztažený proti zemi osciloskopu. Jeden strana vstupu měřeného objektu je vždy spojena se zemí osciloskopu, zatímco druhá strana je připojena do měřeného bodu. To znamená, že pokud měříme s osciloskopem který má takovýto vstup, vždy měříme napětí mezi určitým bodem a zemí.

Jestliže potřebujeme změřit napětí, které není vztaženo k zemi osciloskopu, tj. napětí mezi dvěmi body, pak použijeme-li osciloskop se standardním vstupem proti zemi, dojde ke zkratu mezi jedním z obou měřených bodů a zemí. Většinou se tak poškodí osciloskop.


Obr.1

Jednou z možností, jak změřit napětí mezi dvěmi body, je je změřit napětí v každém z obou bodech proti zemi a vypočítat napěťový rozdíl mezi oběma body. Většina osciloskopů je dnes dvoukanálových a tak takovéto měření lze provést s dvoukanálovým osciloskopem a použít matematickou funkci Ch1 - Ch2, která způsobí zobrazení napěťového rozdílu na obrazovce osciloskopu.

Tato metoda má však několik nedostatků:

- jsou obsazeny dva kanály osciloskopu
- při použití dvou kanálů vzroste chyba měření, protože se kombinují chyby na každém kanálu
- Common Mode Rejection Ratio (CMRR) při této metodě je relativně nízký. Pokud oba měřené body mají vysoké napětí, ale napěťový rozdíl mezi body je malý, tak napěťový rozdíl je měřitelný pouze v horní části rozsahu a výsledkem je malé rozlišení.

Další možností je použití osciloskopu s diferenciálním vstupem nebo použití diferenciální sondy ve spojení s osciloskopem se standardním "single ended" vstupem.


Obr.2

Podstatně lepším řešením je použití osciloskopu s diferenciálním vstupem. Diferenciální vstup není vztažen k zemi, ale oba vstupy jsou "plovoucí".


Obr.3

Tak je možné zapojit jeden vstup do jednoho měřícího bodu a druhý vstup do druhého měřícího bodu v obvodu a měřít přímo napěťový rozdíl mezi oběma body.

Výhody této metody:

- nelze vytvořit zkrat obvodu se zemí osciloskopu
- je použit pouze jeden kanál osciloskopu
- měření je přesnější, protože se používá pouze jeden kanál osciloskopu
- CMRR diferenciálního vstupu je vysoký. I když oba měřené body mají relativně vysoké napětí a rozdíl napětí mezi nimi je malý, přesto napěťový rozdíl může být měřen v dolním rozsahu vstupu a výsledkem je vysoké rozlišení.


Obr.4

Vstupní atenuátory

Často se pro měření pomocí osciloskopu používají vstupní atenuátory. Standardní atenuátory pro osciloskopy s uzemněným vstupem mají útlum pouze v jedné větvi. Takovéto atenuátory nelze použít pro diferenciální vstupy. Jejich použití na diferenciálním vstupu má za následek záporný efekt na CMRR a způsobí chybu měření.


Obr.5

Pro osciloskopy s diferenciálním vstupem je třeba používat atenuátory, které mají útlum v obou vstupních větvích.


Obr.6

Příklady - měření napájecí sítě 220 Volt

Pomocí PC digitálního osciloskopu HS3 a diferenciální sondy SI-9002 jsme měřili průběh síťového napětí. Diferenciální sondu SI-9002 je nutno přepnout na dělící poměr 1:200 a zapnout její napájení předtím, než se na vstup sondy připojí měřené napětí. V opačném případě hrozí zničení sondy a/nebo osciloskopu.

Měření lze samozřejmě provádět také s analogovým osciloskopem, avšak použití digitálního osciloskopu mělo v daném příkladě tu výhodu, že jsme mohli použít také funkce spektrálního analyzátoru. Důvodem bylo viditelné zkreslení průběhu napětí sítě. Průběh nebyl typicky sinusový, ale na vrcholu sinu přecházel do obdélníku. Právě spektrální analyzátor je vhodným nástrojem po zjištění příčin zkreslení.


Obr.7

Následující obrázek ukazuje výsledek měření sítě pomocí spektrálního analyzátoru, vestavěnného v software k osciloskopům TiePie engineering. Je vidět, že téměř neexistuje 3. harmonická, zatímco 5. harmonická (250 Hz) tvoří významnou složku. Amplitudy dalších harmonických sice klesají, ale jsou přítomny. Právě to je příčina zkreslení sinusového průběhu napájecí sítě.


Obr.8